Permukaan baja sering dibersihkan menggunakan abrasive blasting atau power tools sebelum aplikasi protective coating. Profil permukaan yang dihasilkan harus diukur secara akurat untuk memastikan kesesuaiannya dengan spesifikasi pekerjaan atau persyaratan kontrak.
Namun, apakah tinggi profil (profile height) saja, yang merupakan parameter paling umum diukur, merupakan indikator yang baik untuk memprediksi kinerja coating dalam jangka panjang?
Artikel ini membahas hasil pengujian terbaru yang membandingkan berbagai karakteristik profil permukaan dengan pull-off adhesion. Sebuah perangkat lapangan yang sederhana dan berbiaya relatif rendah digunakan untuk memperoleh 3 parameter profil permukaan dari satu pengukuran replica tape, yaitu:
- Profile height – tinggi profil permukaan.
- Peak density – kepadatan puncak permukaan.
- Developed surface area – luas permukaan aktual yang telah berkembang akibat kekasaran.
Permukaan pengujian kemudian diukur kembali menggunakan mikroskop 3D yang kompleks dan mahal, kemudian hasilnya dibandingkan dengan hasil yang diperoleh menggunakan replica tape.
PENDAHULUAN
Proses abrasive blasting dan pembersihan menggunakan power tools pada permukaan baja berfungsi untuk menghilangkan lapisan coating lama, mill scale, karat, dan kontaminan. Proses tersebut juga membuat permukaan menjadi lebih kasar sehingga dapat meningkatkan adhesi coating.
Profil permukaan yang dihasilkan, yang juga dikenal sebagai anchor pattern, terdiri dari pola kompleks berupa puncak dan lembah. Karakteristik profil ini harus diukur secara akurat untuk memastikan kesesuaiannya dengan spesifikasi pekerjaan atau kontrak, sekaligus membantu memastikan keberhasilan proses aplikasi coating (Gambar 1).
Dengan demikian, evaluasi surface profile tidak hanya perlu mempertimbangkan tinggi puncak-ke-lembah, tetapi juga parameter lain seperti kepadatan puncak dan luas permukaan, karena ketiganya dapat memberikan informasi yang lebih lengkap mengenai karakteristik permukaan dan potensinya terhadap kekuatan adhesi coating.
Secara umum, karakteristik surface profile dianggap dapat menjadi indikator terhadap kinerja coating dalam jangka panjang. Karakteristik permukaan hasil abrasive blasting meliputi:
- Peak height (H) – tinggi puncak.
- Peak density – kepadatan puncak.
- Developed surface area – luas permukaan aktual yang berkembang akibat kekasaran.
- Angularity – tingkat kekakuan atau ketajaman sudut profil.
- Sharpness – ketajaman puncak.
- Shape – bentuk profil permukaan.
Saat ini, hanya peak height (H) yang umum diukur. Jika tinggi profil terlalu rendah, coating dapat memiliki adhesi yang buruk terhadap permukaan. Sebaliknya, jika profil terlalu tinggi, diperlukan lebih banyak coating untuk mengisi bagian lembah (valleys). Puncak yang terlalu tinggi juga dapat menonjol melalui lapisan coating dan menjadi titik awal atau fokus terjadinya korosi.
PENGUKURAN TINGGI PEAK-TO-VALLEY
Metode awal untuk mengkarakterisasi surface profile menggunakan standar visual (visual standards) yang ditempatkan di atas permukaan hasil abrasive blasting untuk kemudian dibandingkan secara visual. Meskipun metode ini masih digunakan hingga saat ini, pendekatan yang bersifat kualitatif tersebut sebagian besar telah digantikan oleh perangkat pengukuran kuantitatif.
Perangkat pengukuran tersebut memiliki tingkat harga dan kompleksitas yang berbeda, tergantung apakah dirancang untuk penggunaan lapangan atau laboratorium.
Saat ini, metode lapangan yang paling banyak digunakan melibatkan pengukuran rata-rata tinggi peak-to-valley menggunakan:
- Depth micrometer
- Replica tape
Cara Depth Micrometer Mengukur Surface Profile
Instrumen depth micrometer surface profile memiliki alas datar (flat base) yang diletakkan pada permukaan dan probe berpegas (spring-loaded probe) yang masuk ke dalam lembah profil permukaan.
Alas datar instrumen bertumpu pada puncak-puncak tertinggi permukaan. Oleh karena itu, setiap pengukuran merupakan jarak antara puncak lokal tertinggi dengan lembah tertentu yang dimasuki oleh ujung probe.
Depth micrometer pada umumnya dirancang untuk permukaan yang relatif datar. Salah satu keunggulannya adalah kemampuannya mengukur profil permukaan yang sangat tinggi, bahkan dapat melebihi rentang pengukuran sebagian besar instrumen surface profile lainnya (Gambar 2).
Pentingnya Pengukuran Surface Profile
Pengukuran peak-to-valley height penting dalam proses surface preparation sebelum coating. Namun, tinggi profil saja belum tentu memberikan gambaran lengkap mengenai karakteristik permukaan.
Parameter seperti peak density, developed surface area, angularity, sharpness, dan shape juga dapat memberikan informasi tambahan mengenai kondisi permukaan dan potensinya terhadap adhesi serta kinerja coating jangka panjang.
Replica tape, yang menjadi fokus pembahasan dalam artikel ini, telah lama dikenal sebagai metode untuk mengkarakterisasi profil permukaan. Metode ini sederhana, relatif murah, dan sangat berguna terutama untuk melakukan pengukuran pada permukaan melengkung.
Penggunaan replica tape dijelaskan dalam sejumlah standar internasional, antara lain:
- ASTM D4417
- ISO 8503-5
- NACE RP0287
- AS 3894.5
Prinsip Kerja Replica Tape
Replica tape terdiri dari lapisan foam yang dapat dikompresi (compressible foam) yang ditempelkan pada substrat polyester yang tidak dapat dikompresi (incompressible polyester) dengan ketebalan yang sangat seragam, yaitu 2 mil ± 0,2 mil atau sekitar 50,8 ± 5 µm.
Ketika replica tape ditekan pada permukaan baja yang telah dibuat kasar (roughened steel surface), lapisan foam akan mengalami kompresi dan membentuk cetakan atau replika profil permukaan.
Tape yang telah terkompresi kemudian ditempatkan di antara anvil micrometer thickness gauge. Dengan mengurangi kontribusi ketebalan substrat polyester yang tidak dapat dikompresi, yaitu 2 mil atau 50,8 µm, diperoleh nilai yang merepresentasikan tinggi profil permukaan (surface profile height) (Gambar 3).
Rumus Dasar Pengukuran
Surface Profile Height = Ketebalan Total Replica Tape − 50,8 µm
Dengan prinsip tersebut, replica tape memberikan metode yang praktis untuk mengukur profil peak-to-valley pada permukaan baja hasil abrasive blasting, termasuk pada permukaan yang memiliki bentuk melengkung atau sulit dijangkau oleh metode pengukuran lainnya.
Jika stylus roughness instrument dapat menghasilkan pengukuran peak height sekaligus menghitung jumlah puncak yang ditemui sepanjang panjang pengukuran, mengapa industri corrosion dan protective coating masih relatif lambat mengadopsinya?
Kemungkinan besar, keengganan tersebut didasarkan pada pertimbangan ekonomi dan kepraktisan.
Stylus roughness instrument pada dasarnya cukup rentan karena bergantung pada stylus yang dikalibrasi secara presisi dan biasanya memanjang keluar dari bodi instrumen. Instrumen ini juga dapat lebih kompleks dalam proses setup dan pengoperasiannya.
Selain itu, stylus roughness instrument biasanya menghasilkan berbagai parameter kekasaran yang sebagian di antaranya kurang relevan bagi kebutuhan industri coating. Kombinasi berbagai faktor tersebut kemungkinan membuat calon pengguna enggan mengadopsinya secara luas.
APAKAH PERMUKAAN TERSEBUT SUDAH BAIK?
Apa saja alternatif metode pengukuran yang tersedia?
Di industri corrosion, terdapat anggapan bahwa perangkat untuk melakukan karakterisasi permukaan secara definitif harus menggunakan metode laboratorium, seperti:
- White light interferometry
- Focus variation microscopy
- Confocal laser microscopy
- Atomic force microscopy (AFM)
Namun, meskipun memiliki kemampuan tinggi, perangkat tersebut menghadapi tantangan ketika digunakan untuk mengukur permukaan hasil abrasive blasting yang kompleks.
Instrumen tersebut juga memiliki beberapa keterbatasan:
- Biaya pembelian relatif tinggi.
- Tidak dirancang untuk penggunaan lapangan.
- Membutuhkan pelatihan yang cukup intensif.
- Memerlukan pengaturan berbagai parameter pengujian untuk analisis topografi.
- Pengguna mungkin perlu mengatur parameter seperti dead-band regions, area-scale plots, complexity-scale analysis, filters, stitching, dan spatial area patch sizes.
Pada akhirnya, profesional di bidang corrosion dan coating hanya ingin mengetahui satu hal penting:
Mereka perlu mengetahui apakah:
- Permukaan telah dipersiapkan dengan benar.
- Kondisi permukaan telah memenuhi persyaratan.
- Permukaan dapat diterima oleh pelanggan.
- Parameter yang dapat diukur tersedia untuk menentukan kualitas surface preparation.
- Parameter abrasive blasting dapat disesuaikan untuk mencapai hasil yang ditargetkan.
Oleh karena itu, akan sangat bermanfaat apabila tersedia satu instrumen lapangan yang terjangkau, kuat, dan dirancang khusus untuk industri corrosion dan coating, yang mampu mengukur:
Peak Height (H) + Peak Density (Pd)
Kombinasi kedua parameter tersebut dapat memberikan inspector gambaran yang lebih bermakna dan secara fungsional lebih berkorelasi terhadap potensi kinerja coating selama proses surface preparation.
SOLUSI YANG DIUSULKAN
Solusinya terdapat pada replica tape.
Belum banyak diketahui bahwa replika permukaan yang diperoleh menggunakan Testex Tape menyimpan informasi yang jauh lebih banyak daripada sekadar peak height yang biasanya diukur menggunakan mikrometer.
Data tambahan yang signifikan dapat diperoleh melalui digital imaging atau pencitraan digital.
Replica tape telah digunakan untuk mengukur profil permukaan baja hasil abrasive blasting sejak akhir tahun 1960-an. Penggunaannya telah dijelaskan dalam sejumlah standar internasional, antara lain:
- ASTM D4417
- ISO 8503-5
- NACE RP0287
Dibandingkan dengan metode pengukuran lainnya, replica tape memiliki beberapa keunggulan, yaitu:
- Konstruksi kuat dan tahan digunakan di lapangan (ruggedness)
- Biaya awal relatif rendah
- Repeatability yang baik
- Dapat menyimpan replika fisik dari permukaan yang sedang dievaluasi.
- Metodenya telah digunakan secara luas dan dipahami dengan baik oleh industri.
Dengan memanfaatkan digital imaging, replica tape tidak hanya berpotensi memberikan informasi mengenai peak height, tetapi juga dapat digunakan untuk memperoleh informasi mengenai peak density dan karakteristik permukaan lainnya (Gambar 7).
Hal ini membuka peluang untuk menjadikan replica tape sebagai metode praktis untuk karakterisasi surface profile yang lebih lengkap, tanpa memerlukan instrumen laboratorium yang mahal dan kompleks.
Keunggulan Replica Tape dalam Pengambilan Sampel Permukaan
Keunggulan lain yang terkadang kurang diperhatikan adalah bahwa, berbeda dengan teknik stylus, metode replica tape mengambil sampel dari area dua dimensi (2D) yang kontinu dan cukup luas untuk menghasilkan data statistik yang lebih representatif.
Sebagai contoh, satu kali pemindaian menggunakan electronic surface roughness tester mengambil sampel berupa garis sepanjang permukaan hasil abrasive blasting dengan panjang 12,5 mm (0,5 inci) dan lebar sekitar 10 µm. Dengan demikian, total area yang disampling hanya sekitar 0,12 mm².
Sebaliknya, satu replika foam plastik menggunakan replica tape dapat mencakup area sekitar 31 mm², atau sekitar 250 kali lebih luas dibandingkan area yang diukur dalam satu kali pemindaian stylus.
Pendekatan Baru Menggunakan Optical Transmission
Pendekatan baru yang digunakan adalah memanfaatkan sifat replica tape yang berkaitan dengan kemampuannya mereplikasi permukaan, tetapi memiliki karakteristik yang berbeda, yaitu peningkatan transmisi optik (optical transmission) ketika tape mengalami kompresi.
Tingkat transmisi cahaya berbanding lurus dengan tingkat kompresi foam. Dengan kata lain, semakin besar foam mengalami kompresi, semakin besar pula transmisi cahaya yang dapat melewati tape.
Sebagian besar pengujian dalam penelitian ini menggunakan replica tape grade Coarse dan X-Coarse yang sudah tersedia secara komersial.
Untuk meningkatkan resolusi optik sekaligus mengurangi optical artifacts atau gangguan visual dalam proses pencitraan, Testex Company¹⁴ juga menyediakan versi optical-grade dari tape X-Coarse yang baru tersedia secara komersial pada saat penelitian dilakukan.
Visualisasi Puncak dan Lembah Permukaan
Ketika sepotong replica tape diberi pencahayaan dari bagian belakang (back-lit) dan kemudian difoto, terlihat pola intensitas cahaya yang berbeda:
- Area terang menunjukkan bagian dengan kompresi lebih tinggi, yang merepresentasikan puncak permukaan (peaks).
- Area gelap menunjukkan bagian dengan kompresi lebih rendah, yang merepresentasikan lembah permukaan (valleys).
Dengan memanfaatkan perbedaan transmisi optik tersebut, citra replica tape dapat dianalisis secara digital untuk memperoleh informasi mengenai karakteristik permukaan dalam area 2D, bukan hanya tinggi profil peak-to-valley. Pendekatan ini menjadi dasar pengembangan pengukuran seperti peak count, peak density, dan parameter surface profile lainnya menggunakan digital imaging.
Dengan memanfaatkan prinsip transparansi, jumlah puncak (peak count) dapat ditentukan dengan cara menghitung titik-titik terang pada replika yang ditangkap oleh digital image sensor.
Nilai kecerahan tersebut berkaitan dengan ketebalan replika, yang kemudian merepresentasikan profil permukaan asli. Dengan demikian, intensitas cahaya pada citra dapat digunakan untuk mengidentifikasi karakteristik puncak dan lembah permukaan.
Sebuah instrumen portabel (Gambar 11) dapat mengidentifikasi puncak dan menentukan areal peak density, yaitu jumlah puncak yang terdapat dalam setiap satuan luas permukaan, yang dinyatakan sebagai Pd (peak density) dalam satuan puncak/mm², sesuai dengan definisi ASME B46.1¹⁵.
Perbandingan dengan Stylus Roughness Tester
Meskipun stylus-based roughness tester banyak digunakan dalam industri pemesinan logam, instrumen tersebut menghadapi tantangan ketika digunakan untuk mengukur pola kompleks yang dihasilkan oleh proses surface cleaning atau abrasive blasting.
Stylus hanya mengukur satu garis (single line) pada permukaan kasar. Selain itu, sebagian besar fitur yang dicatat sebagai “peaks” sebenarnya merupakan “peak shoulders”, yaitu bagian samping dari puncak yang dilewati stylus, bukan bagian paling atas dari puncak tersebut (Gambar 16).
Sebaliknya, replica tape peak counter, seperti interferometric optical profiler kelas laboratorium yang lebih sensitif dan mahal, dapat menghitung true two-dimensional peak density atau kepadatan puncak dua dimensi yang sebenarnya.
Jumlah Data yang Lebih Besar
Keunggulan lain dari metode pencitraan digital adalah jumlah titik data yang digunakan untuk menghasilkan setiap hasil pengukuran jauh lebih besar.
Dengan menggunakan jumlah titik data yang jauh lebih besar, karakteristik permukaan dapat dianalisis dengan lebih komprehensif.
Yang lebih penting, seluruh proses tersebut dapat dilakukan menggunakan instrumen lapangan yang kuat (rugged field instrument) dengan perangkat keras yang relatif murah, tetapi mampu menghasilkan data karakterisasi permukaan yang sebanding dengan informasi yang diperoleh dari instrumen laboratorium.
AFFORDABLE 3D SURFACE MAPPING
Pemetaan Permukaan 3D yang Terjangkau
Setelah hubungan antara ketebalan dan transparansi diterapkan dalam interpretasi citra intensitas, parameter tambahan untuk karakterisasi permukaan dapat diperoleh menggunakan perangkat lunak rendering tiga dimensi (3D).
Hasilnya berupa peta 3D dari permukaan baja hasil abrasive blasting yang dapat memberikan gambaran lebih lengkap mengenai topografi permukaan.
Teknologi ini memungkinkan pembuatan 3D surface map dengan biaya yang jauh lebih rendah dibandingkan penggunaan perangkat interferometric profiling atau confocal profiling yang umumnya mahal dan dirancang untuk penggunaan laboratorium.
Contoh proses kerja metode ini ditunjukkan pada Gambar 10 hingga Gambar 12.
Alur Pengukuran
Secara sederhana, prosesnya dapat digambarkan sebagai berikut:
Permukaan Baja Hasil Abrasive Blasting
↓
Replica Tape
↓
Foam Mengikuti Profil Permukaan
↓
Perubahan Kompresi → Perubahan Transparansi
↓
Digital Image Sensor
↓
Analisis Intensitas Cahaya
↓
Konversi Intensitas → Informasi Ketebalan/Profil
↓
3D Rendering Software
↓
3D Surface Map + Peak Density + Parameter Profil Lainnya
Pendekatan ini memungkinkan replica tape yang selama ini terutama digunakan untuk mengukur peak-to-valley height dikembangkan menjadi metode yang mampu memberikan informasi topografi permukaan 3D secara lebih lengkap, dengan tetap mempertahankan kepraktisan untuk penggunaan di lapangan.
Dari citra 3D, terdapat satu parameter tambahan yang dapat diukur dan diyakini dapat membantu meningkatkan ikatan kimia maupun mekanis coating, yaitu peningkatan luas permukaan yang dihasilkan oleh proses abrasive blasting.
Parameter Sdr (Developed Interfacial Area Ratio) menyatakan persentase tambahan luas permukaan yang dihasilkan oleh tekstur permukaan dibandingkan dengan bidang ideal yang memiliki ukuran sama dengan area pengukuran.
Dalam konteks industri coating, parameter ini dikenal sebagai rugosity, yaitu peningkatan luas permukaan akibat proses blasting yang dinyatakan sebagai persentase:
Rugosity = (Luas permukaan aktual / Luas bidang X-Y − 1) × 100%
Dengan kata lain, semakin kasar permukaan akibat proses blasting, semakin besar luas permukaan aktual dibandingkan luas bidang datarnya.
Para profesional coating berpendapat bahwa parameter surface profile ini dapat memberikan korelasi fungsional terhadap teknik aplikasi, karena memberikan nilai rugosity yang menunjukkan seberapa besar luas permukaan tambahan yang dihasilkan oleh proses abrasive blasting.¹⁷
Namun, pembahasan lebih lanjut dalam artikel ini menunjukkan bahwa pelaporan developed surface area mungkin memiliki manfaat praktis yang terbatas dalam industri blast cleaning.
KORELASI PENGUKURAN REPLICA TAPE DENGAN METODE PENGUKURAN YANG TELAH TERSTANDAR
Untuk memvalidasi hasil pengukuran 3D menggunakan replica tape, dua parameter baru yang diperoleh dari tape, yaitu:
- Peak Density (Pd)
- Developed Surface Area (Sdr)
dibandingkan dengan dua metode pengukuran surface roughness yang telah digunakan secara luas, yaitu:
- Confocal microscopy
- Stylus profilometry
Tujuan perbandingan ini adalah untuk mengetahui apakah hasil pengukuran parameter Pd dan Sdr menggunakan replica tape memiliki kesesuaian dengan hasil yang diperoleh melalui metode laboratorium yang telah dikenal.
Perbandingan Data 3D Replica Tape dengan LEXT Confocal Microscope
Langkah pertama dilakukan untuk memastikan bahwa pencitraan intensitas cahaya (light intensity imaging) pada replica tape dapat menghasilkan nilai Pd dan Sdr yang sebanding dengan nilai yang diperoleh menggunakan metode laboratorium yang telah tervalidasi.
Sebuah penelitian dilakukan menggunakan tiga panel baja yang dipersiapkan oleh KTA Labs¹⁸. Tiga jenis media abrasive blasting yang digunakan adalah:
- Amasteel G-50
- GMA Garnet Coarse
- Amasteel S-230/G40
Ketiga panel tersebut kemudian dikirim ke WPI¹⁹ bersama dengan 3 set optical-grade replica tape yang telah melalui proses burnishing untuk dilakukan pengukuran menggunakan LEXT Confocal Microscope (Gambar 13).
Hasil pengukuran tersebut kemudian digunakan sebagai data pembanding untuk mengevaluasi kemampuan replica tape dalam menghasilkan informasi 3D surface profile, khususnya parameter Peak Density (Pd) dan Developed Interfacial Area Ratio (Sdr).
Rekomendasi alat ukur parameter profil: PosiTector RTR
PosiTector RTR 3D adalah alat pembaca pita replika (replica tape reader) digital canggih yang dirancang untuk mengukur dan merekam parameter profil permukaan 2D dan 3D menggunakan pita replika Testex Press-O-Film. Alat ini menghasilkan citra 3D serta berbagai parameter penting hanya dalam hitungan detik setelah pita replika ditekan pada permukaan datar, melengkung, maupun tidak beraturan.
Kesimpulan
Berdasarkan pembahasan mengenai Replica Tape dan karakterisasi surface profile, dapat disimpulkan bahwa pengukuran profil permukaan tidak seharusnya hanya berfokus pada peak-to-valley height (H). Meskipun tinggi profil merupakan parameter yang paling umum digunakan, karakteristik lain seperti peak density (Pd) dan developed surface area (Sdr) dapat memberikan informasi tambahan mengenai kondisi permukaan hasil abrasive blasting.
Replica tape memiliki beberapa keunggulan sebagai metode pengukuran lapangan karena sederhana, relatif murah, kuat, mudah digunakan, dapat digunakan pada permukaan melengkung, serta mampu mengambil sampel area yang jauh lebih luas dibandingkan metode stylus.